4. Конструктивный анализ экологической сети

Совремённым грандиозным проектом является всеукраинская экологическая сеть. Грандиозность проекта, принятого (на уровне Закона Украины) в начале 21 века, в том, что его реализация заставила вернуть в государственную собственность часть земель, которые были «на горячую руку», в политических интересах денационализированы. Теперь парламент и исполнительная власть предпринимают шаги к тому, как выправить ситуацию. Ведь в некоторых областях Украины до 15-20% земельных угодий надо исключить из пользования и превратить снова в естественные угодья (лес, луг, степь), причём без права частного землевладения на них. К тому же, сеть должна быть непрерывной.

Такая большая ответственность побуждает к использованию методов оптимизации пространственно-функциональной структуры. В качестве примера оптимизации значительного участка национальной экологической сети воспользуемся одной из работ Е.А.Вариводы и автора, в которой был дан научный анализ участка экологической сети⁷³

Топологическая структура сети представляет собой пространственную картину взаимного расположения её структурных элементов – каркасных ядер и соединительных территорий – биокоридоров (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Придонецкий биоцентр и его тополопологическая сеть. Пояснения в тексте.

. Для оптимизации была использована теория графов (как это излагалось выше) в оценивании степени связанности каркасных ядер через соединительные территории, где за вершину графа принимаются каркасные ядра данной сети, а за ребра графа – экологические коридоры.

Проиллюстрируем эти научные положения примером исследования и анализа эффективности функционирования сети территорий и объектов природно-заповедного фонда в пределах трёх административный районов Харьковской области (Чугуевского, Балаклейского и Изюмского), которые пересекаются долиной р. Северский Донец. Она служит пространственно-функциональной осью этих районов.

Была использована ландшафтная карта территории исследования, составленную Е.А.Вариводой, которая позволяет точно определить основные территории ПЗФ и их относительное положения. Для достижения поставленной цели изучалась сеть объектов ПЗФ, которые должны служить локальными каркасными ядрами сети, и осуществлялся топологический анализ её будущей организации. Учитывалось, что основным путём биоландшафтной коммуникации являются речные долины разных порядков, которые соединяют между собой каркасные ядра.

Степень связности вершин графа отображает в целом эффективность всей сети. Для расчёта связности графа были использованы некоторые индексы, заимствованные из работы М.Д.Гродзинского.

Так, α-индекс характеризует наличие и насыщенность сети циклами: чем выше значение α-индекса, тем больше альтернативных путей миграции между каркасными ядрами сети:

(1)

где Е – количество рёбер графа (соединений между каркасными ядрами), а V – количество вершин графа (каркасных ядер в пределах заданной территории). Оптимальное значение α –індекса α =1.

Сходным индексом для оценивания степени розвитости сети соединений является β –индекс:

. (2)

При β ‹ 1 граф не имеет ни единого цикла, т.е. представляет собой собой граф-дерево (дендрит), при β = 1, только 1, при β › 1– несколько. При β = 3 все каркасные ядра объединены соединениями в циклы, т.е. имеют максимально возможную связность. Проведя расчёты, авторы получили значение α-індекса = 0,02, а β –індекса 1,02.

Для полученной топологической структуры сети, значения V, то есть количество каркасных ядер (вершин графа) равняется 55. хотя общее количество каркасных ядер проектируемой сети состоит из объектов ПЗФ. Небольшие объекты, находящиеся по соседству, были объединены между собой. В результате, окончательно их стало 49. Это объясняется тем, что количество рёбер, то есть показатель Е, для полученного графа равняется 50 (49+1).

Наиболее полную численную характеристику значимости отдельного каркасного ядра в сети возможно получить с помощью показателей доступности на графе. Эти показатели рассчитываются по матрице доступности вершин графа путём расчёта следующих показателей.

Абсолютный индекс доступности і -го каркасного ядра S_i - сумма соединительных территорий от него ко всем других каркасных ядер в сети. Рассчитывается как сумма всех элементов і-й строки матрицы доступности. Каркасное ядро с наименьшим значением S_i является центральным в сети:

(3)

Число Кенига і-го каркасного ядра К_і – наибольший элемент і-го порядка матрицы доступности. Каркасное ядро с наименьшим значением К_і является центральным:

(4)

Индекс Бавелаша і-го каркасного ядра В_і – относительная оценка его "центральности":

(5)

Индекс Бичема і-го каркасного ядра В_i является еще одной оценкой центральности і -го каркасного ядра :

(6)

Каркасные ядра с наибольшим значением В_і и R_i являются центральными в структуре сети. От центрального каркасного ядра наиболее короткие (в топологическом смысле) пути миграции ко всем другим каркасным ядрам, и потому оно заслуживает особенного внимания при проектировании сети территорий и объектов ПЗФ, поскольку играет ведущую роль в аспекте сохранения и воссоздания биоландшафтного разнообразия данной территории.

Индекс Рида і-го каркасного ядра Р_і :

(7)

Центральным является каркасное ядро с наименьшим значением Р_і .

Индекс относительной доступности каркасного ядра Ω_i : центральным является ядро с наименьшим значением Ω_i :

(8)

При расчетах имеем в виду, что a_ij - значение элемента ij матрицы доступности , n - количество каркасных ядер в структуре сети, N - количество биокоридоров, исходящих из і-го каркасного ядра.

В таблице 13.2 приведены индексы доступности каркасных ядер и количество биокоридоров, которые приходятся на каждое каркасное ядро.

Таблица 13.2. Индексы доступности каркасных ядер сетевой структуры проектируемой сети территорий и объектов ПЗФ (фрагмент)

Индекс	Порядковый номер каркасного ядра сети
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
Si	0	486	442	0	0	404	399	364	408	409	451	367	376	382	350	337	338	312	345
Ki	0	20	19	0	0	18	18	17	18	18	19	17	17	17	16	16	16	15	15
Bi	0,0	35,3	38,8	0,0	0,0	42,4	42,9	47,1	42,0	41,9	38,0	46,7	45,6	44,9	49,0	50,8	50,7	54,9	49,7
Ri	0,00	0,10	0,11	0,00	0,00	0,12	0,12	0,13	0,12	0,12	0,11	0,13	0,13	0,13	0,14	0,14	0,14	0,15	0,14
Pi	0,00	9,92	9,02	0,00	0,00	8,24	8,14	7,43	8,33	8,35	9,20	7,49	7,67	7,80	7,14	6,88	6,90	6,37	7,04
Ωi	0,00	0,74	0,59	0,00	0,00	0,45	0,43	0,31	0,47	0,47	0,62	0,32	0,35	0,37	0,26	0,21	0,22	0,12	1,00
N	0	1	2	0	0	2	3	3	2	2	2	4	3	2	2	4	3	4	2

Определённые значения доступности каркасных ядер являются достоверными для территории исследования и нуждаются в дополнительном анализе при дальнейшем проектировании сети, если она выходит за пределы отмеченных административных районов.

Также необходимо отметить, что при оценивании доступности каркасных ядер не брались во внимание такие характеристики как биомногообразие, площадь, режим охраны, степень антропогенной нагрузки и т. п.

Отсутствие единых научно-обоснованных принципов на этапах создания территорий и объектов ПЗФ привели к тому, что существуют определённые недостатки в их структурной организации, а именно диспропорция размещения внутри региона, отсутствие полноты отражения особенностей ландшафтной организации и, соответственно, комплексных подходов к охране природы.

Эти расчеты показывают, что степень связанности является весьма низкой вследствие того, что долины рек образуют собой древовидную структуру, а циклы имеют место лишь в пойменной части р. Сев. Донец, где есть группировка из нескольких объектов ПЗФ. Также на низкий показатель связности графа влияет то, что три каркасных ядра находятся вне пределов водосбора р. Сев. Донец и не связаны биокоридорами с остальными.

Из этого следует, что топологически сеть является достаточно уязвимой: стоит разорвать любую цепь (например, пересечь её автомагистралью), и единая сеть распадётся на две отдельных подсистемы, что в действительности имеет место из-за насыщенности территории хозяйственными объектами. Из них наибольшими и особенно значимыми являются Балаклейский цементно-шиферный комбинат, Змиевская ТЕС и г. Изюм. Следовательно, имеют место локальные экологические риски разрушения топологического каркаса экосети.

Ограничения метода. Следует заметить, что топологически более значимое каркасное ядро может быть слишком малым и территориально находиться на периферии региона, что помешало бы биоландшафтной коммуникации и привело к потере его значения. Следовательно, кроме рассмотренных показателей, для оценивания эффективности функционирования проектируемой сети целесообразно использовать такие, с помощью которых можно количественно определить значимость (вес) того или другого каркасного ядра в сети, следовательно, установить приоритетность охраны разных каркасных ядер.

Таким показателем является формальный показатель "степени каркасного ядра" – N (по аналогии с теорией графов – это "степень вершины"). Он равняется количеству соединительных рёбер (т.е. биокоридоров), которые непосредственно соединяют данное каркасное ядро с другими. Чем выше является степень каркасного ядра, тем лучше такое ядро защищено от деградации и тем большее значение имеет для сети в целом как центр биоландшафтной организации.

Второе ограничение метода – это отсутствие какой-либо информации о качественном значении того или иного ядра. Ведь удачная топологическая позиция – это лишь предпосылка того, что данное ядро будет играть важную роль. Если в нём не сохранилось видовое богатство, разрушены экологические ниши обитания организмов, важных для экосистем, то потенциал такого ядра не скоро восстановится. Возможно, нужна реинтродукция видов, но топологический анализ об этом ничего не говорит.

Третье ограничение метода – отсутствие информации об окружении ядер и биокоридоров. На перифериях тех и других могут возникать конфликтные зоны. Они неизбежны, если близко к ядрам и биокоридорам подходят сельскохозяйственные угодья. Ведь для земледельцев и растения (деревья, кустарники, сорные травы), и животные (лисы, мыши, птицы) – это вредители, и судьба их понятна. Выход один – следить за выделением достаточно широких буферных зон. Но в рамках использованного метода таковые не учитываются.